УДК 621.331.5

АКТИВНАЯ БАЛАНСИРОВКА ТЯГОВЫХ СВИНЦОВЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
В ЭЛЕКТРОМОБИЛЯХ

В. В. Медведев, В. И. Мищенко, А. Э. Абдураимов

1. Введение
Производство электромобилей – сейчас одна из бурно развивающихся отраслей. Продажи электромобилей в мире за 2015 год возросли в 1,5 раза, а в Украине показали рекордные 400%. Первый квартал 2016 года показал прирост продаж электромобилей в 19 раз по сравнению с аналогичным периодом прошлого года.
В стоимости электромобиля аккумуляторная батарея занимает наибольшую долю. Зачастую цена батарей превышает половину стоимости всех комплектующих и работ. В то же время отдельные аккумуляторы, представляющие собой химические источники тока, могут быть быстро повреждены неправильной эксплуатацией. Известно, что длительное превышение или понижение напряжения на клеммах аккумуляторов от их предельных значений приводит к преждевременному разрушению химической структуры [5]. В электромобилях используются цепочки последовательно включённых аккумуляторов. При установке аккумуляторов на основе свинца, система управления обычно ограничивается контролем напряжения всей батареи. По этому параметру производится отключение зарядного устройства при полном заряде батареи, и отключение контроллера двигателя при её полном разряде.
Контроль только общего напряжения батареи приводит к возникновению эффекта разрушения самого слабого аккумулятора. Это поясняется следующим образом. Практически всегда в батарее находится хотя бы один из аккумуляторов, который вследствие заводского дефекта, или износа, или установки в отличной от других температурной зоне имеет ёмкость меньшую, чем все остальные. Во время заряда ток в последовательной цепочке одинаковый. Когда аккумулятор с меньшей ёмкостью уже полностью заряженный, остальные аккумуляторы ещё способны запасать энергию. Напряжение на батарее не достигло максимума, зарядное устройство не отключается. Аккумуляторы продолжают заряжаться, а аккумулятор с меньшей ёмкостью больше к этому моменту уже не способен запасать энергию и начинает разрушаться. Во время цикла разряда аккумулятор с меньшей ёмкостью так же разрушается по причине слишком сильного снижения напряжения. Когда напряжение на остальных аккумуляторах близко к полному разряду, аккумулятор с меньшей ёмкостью уже полностью разряжен. При эксплуатации аккумуляторов на основе свинца процесс разрушения вначале почти незаметен, но потом развивается лавинообразно. В критический момент катастрофический износ с 10% до 30% потери ёмкости развивается не медленнее чем за 40–50 циклов заряда/разряда. То есть пробег электромобиля на одном заряде может заметно ухудшиться в течение буквально двух месяцев эксплуатации.
Для нивелирования этого эффекта применяется BMS (система управления батареей) с пассивной балансировкой. Устройства этого класса контролируют напряжение на каждом аккумуляторе и отключают зарядное устройство или контроллер электродвигателя по выходу напряжения хотя бы на одном из аккумуляторов за рекомендуемые параметры. Выравнивание заряда между аккумуляторами (балансировка) производится путём замыкания резистором аккумулятора с высоким напряжением по сравнению с остальными. Такая балансировка ограничена возможностями по рассеиванию тепла, т. к. рассеиваемая мощность для электромобиля на 8 аккумуляторах может превышать 300 Вт. А главное, BMS не имеет возможности поддерживать аккумуляторы со слишком низким напряжением относительно остальных.
В отличие от пассивной балансировки активная заряжает аккумуляторы, которые отстают по напряжению от среднего напряжения остальных аккумуляторов [1–2]. КПД такой системы теоретически может составлять 100% [3], так как вся получаемая от других аккумуляторов энергия тратится на зарядку отстающего. Реальный КПД электрической части таких систем, по различным литературным источникам, находится в пределах 80–93%.
2. Основная часть
Уровень необходимого тока балансировки определяется двумя факторами: преимущественными разрядными и зарядными токами и дисбалансом ёмкостей аккумуляторов. Оценим эти показатели.
Для исследований был выбран электромобиль с 8 аккумуляторами по 150 А•ч каждый с номинальным напряжением по 12 В. Конструкция аккумуляторов позволяет заряжать их до 14,5 В (с выдержкой времени и отключением от зарядного устройства) и разряжать до уровня 10,5 В под нагрузкой.
Зарядные токи выбираются исходя из ¼-суточного времени зарядки. В выбранной системе ток заряда составляет 24 А в начале и падает до 10–15 А на заключительном этапе режима постоянного напряжения (CV). Во время рекуперации (динамического торможения) ток зарядки не превышает 20 А и длится не более 1–2 сек.
Общеизвестно, что расход топлива (в том числе и электричества в электромобилях) сильно зависит от стиля вождения, скорости движения и массы транспортного средства. Для определения диапазона разрядных токов были произведены записи тока батареи электромобиля при разных стилях вождения. Фактическая масса электромобиля составляла 1150 кг. Результаты замеров тока приведены на рис.1.
Из гистограмм видно, что средний ток потребления электромобиля в различных режимах колеблется в пределах 75–100 А. Для расчёта токов балансировки важны на так эти показатели, как показания максимального преобладающего тока. Преобладающее значение находится на правых спадах гистограмм токов. Для бережливого режима максимальный преобладающий ток составляет 100–110 А, для движения по трассе 105–120 А, а для режима такси 200 А. Основываясь на средних и преобладающих токах, оцениваем ток потребления электромобилем в 110 А.

Для определения дисбаланса ёмкости были проведены измерения отработавших в электромобилях аккумуляторов. Съём аккумуляторов производился при уровне пробега на одном заряде 60% от пробега с новыми аккумуляторами. Результаты измерений приведены на рис. 2.
Из рисунка 2 видно, что остаточные ёмкости распределяются в две группы со средними точками 55 и 140 А•ч. Очевидно, что ёмкость большинства аккумуляторов лежит в пределах 120–150 А•ч. Априорно предполагаем, что система активной балансировки не будет допускать эффекта катастрофического износа самого слабого аккумулятора. Исходя из этого аккумуляторы со значительно меньшей ёмкостью по сравнению с другими аккумуляторами батареи учитывать не будем.

Указанную ёмкость в 120–150 А•ч электромобиль расходует примерно за 2 часа непрерывной поездки. В итоге система балансировки должна справляться с дисбалансом 30 А•ч за 2 часа при токах 110 А. Таким образом, для полной компенсации дисбаланса аккумуляторов требуемые токи балансировки должны быть до 15 А.
Обеспечить такие токи при разнице напряжений 0,1–0,2 В технически сложная задача. Проблема заключается в том, что количество балансиров должно быть n–1, где n – количество аккумуляторов. При таком количестве на конкурентную способность достаточно сильно влияет цена единичного балансира. Основываясь на возможностях современной схемотехники полумостовых синхронных стабилизаторов эксперименты проводились на величинах токов до 8 А. Для обеспечения столь значительных токов балансировки были разработаны балансиры ER122 [4]. Балансир отводит ток от батареи с повышенным напряжением и отдает его батарее с пониженным напряжением. Постепенно заряд на обеих соседних батареях уравнивается.
Конструкция балансиров обеспечивает ток до 4 А. Для увеличения тока балансировки аккумуляторы были рассортированы по ёмкости таким образом, чтобы менее ёмкие аккумуляторы оказывались среди более ёмких и наоборот. Это позволяло смежным балансирам согласованно работать на зарядку или разрядку конкретного аккумулятора. Таким образом, токи балансировки удваивались и могли достигать 8 А. В эксперименте были взяты аккумуляторы из всего диапазона предполагаемых ёмкостей. Ёмкости аккумуляторов распределились в порядке 139, 132, 147, 110, 147, 132, 134 и 140 А•ч.
Во время экспериментов были выполнены тестовые заезды по одному и тому же маршруту протяжённостью 24 км каждый с зарядкой электромобиля после каждого заезда. В одной части заездов аккумуляторы работали в параллельной цепи без дополнительных элементов, в другой применялись активные балансиры. Для контроля напряжения аккумуляторов проводилась запись на 8-канальный логометр, показанный на рис. 3 внизу. Балансиры обеспечивали перетекание токов между соседними аккумуляторами при возникновении разности напряжений.

Максимальное напряжение дисбаланса без балансировки составляло 2,65 В. При включении балансиров оно уменьшилось до 1,8 В. Повысилось минимальное напряжение при пиковых нагрузках. Итоговый пробег электромобиля при включении балансиров увеличился на 33%. На рис. 4 представлены графики дисбаланса напряжения аккумуляторов в пересчёте от среднего математического напряжения всей батареи. Если бы батарея было идеально сбалансирована, то все восемь линий графика слились бы в прямую по оси абсцисс. То есть напряжение на каждом аккумуляторе равнялось бы среднему напряжению по всей батарее.
Из графиков видно, что максимальный дисбаланс батареи появляется в конце зарядки при выходе на режим постоянного напряжения (CV). После автоматического выключения зарядного устройства напряжения тяговых свинцовых аккумуляторов в течение нескольких минут падает и выравнивается между собой, что видно по резкому уменьшению дисбаланса. Также из графика видно, что включение балансировки дало возможность электромобилю преодолеть дистанцию быстрее на 9% и большее время пути не давало выйти дисбалансу за пределы 0,3 В.
Для наглядной оценки изменения дисбаланса батареи в зависимости от напряжения на аккумуляторах рассмотрим график на рис. 5. В нём выделены цветом режимы разрядки и зарядки электромобиля. Видно, что в пределах напряжений 12,1–14 В дополнительная балансировка тяговых свинцовых аккумуляторов не требуется. Так же хорошо видна ошибка работы зарядного устройства, допускающего напряжение на аккумуляторах более 15,4 В.


Пиковый дисбаланс происходит во время разрядки аккумуляторов, однако во время зарядки в режиме CV он более протяжённый во времени. Включение балансировки токами до 8 А позволило снизить дисбаланс, значительно уменьшить время нахождения батареи в разбалансированном состоянии. Также минимальное кратковременное напряжение, возникающее на аккумуляторах под нагрузкой, возросло с 9,6 В до 10,25 В что позволяет эксплуатировать их практически в соответствии с техническими требованиями на химические источники тока технологии AGM [5].

3. Выводы
Аккумуляторы на основе свинца требуют дополнительных балансировочных устройств. Для условий эксперимента требуемые теоретические токи должны быть до 15 А. Эксперимент доказал, что балансировочные токи до 8 А недостаточны для полного устранения дисбаланса реальной батареи, но они позволяют значительно улучшить и характеристики электромобиля и условия эксплуатации аккумуляторов.
Для увеличения эффективности балансировочных устройств на основе перекачивания энергии между соседними аккумуляторами требуется сортировка аккумуляторов по ёмкости и их установка в специальном порядке.


Эксперименты показал, что использование активных балансиров относительно небольшой мощности заметно улучшает тяговые характеристики автомобиля и смягчает режимы эксплуатации аккумуляторов. Дальнейшее улучшение может быть достигнуто после разработки более мощных балансиров с уравнительными токами в 15–20А. Но для решения этой задачи необходимо находить компромисс между ценой и производительностью балансировки.
Список использованной литературы
1. Варламов, Д. О. Исследование устройств выравнивания напряжений для аккумуляторных батарей электромобилей нового поколения // Энергоэффективные технологии в транспортных системах будущего. Сборник тезисов и статей международной молодёжной конференции МГТУ «МАМИ» [текст] – М.: МГТУ «МАМИ», 2011. – С. 48–52.
2. Носов, Н. Особенности зарядки последовательных аккумуляторов [Электронный ресурс] / Николай Носов // Мобиповер. – 2010. – Режим доступу до ресурсу: http://www.mobipower.ru/modules.php?nam ... le&sid=293.
3. Смотров, Е. А. Системы балансировки аккумуляторных батарей [Электронный ресурс] / Е. А. Смотров, Д. И. Акшинцев, В. В. Субботин, А. Ю. Сусленко // Электротехнические и компьютерные системы . – 2013. – Вып. 11. – С. 38–48. – Режим доступу до ресурсу: http://nbuv.gov.ua/UJRN/etks_2013_11_7.
4. Мищенко, В. И. Балансировщик заряда ER122 [Електронний ресурс] // MicroWatt. – 2015. – Режим доступу до ресурсу: http://microwatt.com.ua/catalog/balancer/ER122.
5. Варыпаев, Н. В. Химические источники тока [текст] / Н. В. Варыпаев, М. А. Дасоян, В. А. Никольский. – М.: Высш. шк., 1990. – 240 с.
6. Mohamed, D. A Review of Passive and Active Battery Balancing based on MATLAB/Simulink [text] / D.Mohamed, O.Noshin, B.Peter, M.Joeri // International Review of Electrical Engineering (I.R.E.E.). – 2011. September, – pp.70–85.
7. Sihua, W. Cell balancing buys extra run time and battery life [text] / Sihua Wen // Power Management, Analog Applications Journal, Texas Instruments Incorporated. – 2009. Vol. 1Q – pp. 14–18.
8. Хрусталев, Д. А. Аккумуляторы [текст] / Д. А. Хрусталев. – М.: Изумруд, 2003. – 224 с.
9. Battery monitoring/management systems (BMS) [Електронний ресурс] // EV-propulsion. – 2010. – Режим доступу до ресурсу: http://www.ev-propulsion.com/bms.html.
10. The Battery Industry in 2015 [text] – Japan: Nikkei BP Clean Tech Institute, 2013. – 270 с.